《Measurement》：Physics-informed broadband measurement of compliant interfacial defects under severe solid–air impedance mismatch using air-coupled laser ultrasonics
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•• 宽带辐射可观测量能够揭示在严重不匹配条件下的弹性缺陷。•• 跨模态测试将增强的表面运动与空气侧传输响应联系起来。•• 深度衰减和横向扩散提供了可测试的辐射缩放趋势。引言如纤维-金属层压板（FMLs）这样的阻抗不匹配层状结构在航空航天和轻量化工程中越来越受到应用，因为它们结合
• • 宽带辐射可观测量能够揭示在严重不匹配条件下的弹性缺陷。
• • 跨模态测试将增强的表面运动与空气侧传输响应联系起来。
• • 深度衰减和横向扩散提供了可测试的辐射缩放趋势。
引言 如纤维-金属层压板（FMLs）这样的阻抗不匹配层状结构在航空航天和轻量化工程中越来越受到应用，因为它们结合了金属的刚度和耐损伤性与复合材料的低密度和耐腐蚀性 [1]，[2]，[3]。然而，它们的结构可靠性在很大程度上取决于埋藏界面的完整性，其中污染、空洞、不完全粘合或固化相关的不完善可能导致粘附力减弱或退化，最终导致承载能力显著下降 [4]，[5]，[6]。对这些界面缺陷的可靠评估仍然很困难，特别是对于薄型、曲面或其他复杂部件，因为接触耦合不方便或不为人所期望。破坏性机械测试（如剥离、剪切或弯曲加载）可以评估粘合质量，但不适合在役检测 [7]。传统的线性超声方法（包括脉冲回声和透射方法）虽然简单，但往往对早期界面退化的灵敏度有限，因为在这些情况下回声幅度和飞行时间仅发生微小变化 [8]，[9]，[10]。非线性超声技术通过在弹性界面产生谐波和次谐波来提高缺陷灵敏度 [11]，[12]，[13]，并且已经从接触非线性模型 [14] 发展到对不完美粘合层的有限元模拟 [15]。然而，更广泛的部署仍然受到仪器非线性、阈值依赖性以及容易在噪声中丢失的弱可用信号能量的限制。因此，对于高阻抗不匹配的层状结构，实际挑战不仅在于缺陷是否扰动波的传播，还在于是否可以为非接触式传输检测定义一个稳定且物理上可解释的可观测量。
激光超声在这种情况下很有吸引力，因为它提供了宽带、远程且无需耦合剂的激励。最近的进展通过混合激光-空气耦合配置和越来越复杂的成像方法（包括频域合成孔径聚焦、厚度自适应波数滤波、宽带小波成像和优化的波束成形策略）显著扩展了其非接触式检测能力 [16]，[17]，[18]，[19]，[20]。相关研究还强调了非接触和基于激光的方法在缺陷识别和定位方面的更广泛价值 [21]，[22]，[23]。Quattrocchi 等人比较了空气耦合超声测试和主动热成像在复合材料缺陷识别中的效果 [24]，而 Jiang 等人报道了基于激光超声测试的损伤定位成像 [25]。然而，在透射配置中，极低的传输效率仍然是激光超声的主要物理瓶颈 [16]，因为声能必须穿过试样然后辐射到空气中。固体和空气之间的巨大阻抗对比使得大部分传输能量被反射，导致空气耦合接收器的信噪比低且能量有限 [17]，[26]。因此，传统的努力主要集中在提高激光能量传输 [27]，[28]、接收器灵敏度 [29] 或信号处理策略 [19]，[20] 以补偿微弱信号。
我们最近的工作展示了使用空气耦合激光超声（ACLU）对金属/CFRP混合层压板进行大面积和微缺陷检测的可行性 [30]，[31]。这些研究主要集中在系统级设计上，包括光学扫描配置、信号平均和大面积数据重建，而在这种严重不匹配条件下观察到的信号放大的物理起源基本上还是现象学的。特别是，为什么传输信号在缺陷位置表现出强烈的宽带增强，以及这种响应如何随刚度对比和缺陷深度变化而变化，这些问题尚未得到解释。因此，将局部弹性变化与严重固体-空气阻抗不匹配下的可测量宽带空气侧响应联系起来的物理框架仍然缺失。
振动定位和弹性诱导的弯曲增强的研究提供了一种不同的途径。Pierre 和 Dowell [32] 早就指出，结构不规则性可以局部化振动能量并放大局部位移。Chen Yang 等人的最新工作 [34] 从分析上进一步证实了这一点：放置在粘性-Pasternak 基础上的层压板中的分层会引发局部弯曲模式，并通过局部刚度降低和弹性增加来放大振动幅度。总的来说，这些研究表明弹性区域可以表现为振动放大器。然而，目前还缺少将这种局部运动增强与宽带声辐射和可测量的空气耦合传输可观测量联系起来的机制。这些观察结果激发了对测量过程的辐射解释。在所研究的脉冲激光激励条件下，弹性界面处的局部刚度降低释放了约束，增强了表面法向和弯曲运动，并改善了空气侧耦合。因此，诊断目标从微弱的传播波扰动转向了由局部弹性对比产生的宽带辐射可观测量。
基于这一观点，当前工作为严重阻抗不匹配下的非接触传输检测建立了一个基于物理的宽带测量框架。该框架结合了：(i) 一个降阶分析模型，该模型识别了三种典型的辐射趋势，即宽带抬升、深度依赖的衰减和横向扩散；(ii) 一个耦合的多物理结构到空气的测量桥，将缺陷引起的表面运动增强与层状各向异性介质中的空气侧传输响应联系起来；以及 (iii) 一个基于频域均衡和两个可解释的测量坐标（宽带比率指数（BRI）和辐射与窄带共振的判别器（DRDS）的透明测量数据处理器程，这些坐标可以量化宽带抬升并区分辐射响应和共振主导的行为。主要贡献是为高阻抗不匹配传输测量构建和验证了可复制的宽带测量坐标。这通过宽带和跨频段空气耦合测量、干涉表面振动与空气侧传输响应的跨模态比较、在平试样上对典型深度和横向缩放趋势的受控测试，以及对厚平面、超薄和曲面层压板的定性框架级可转移性检查得到了验证。
章节片段 从被动散射到辐射可观测量 图 1 总结了传统的传输模式解释，其中激光产生的超声波穿过试样，通过传输场的变化来推断缺陷。然后使用基于幅度或能量的特征将雷达扫描信号转换为对缺陷敏感的地图，因此主要将缺陷视为被动传播扰动。
在严重的固体-空气阻抗不匹配情况下，这种解释变得不完整，因为在这种情况下，体波成分
宽带辐射趋势的降阶预测 引入了降阶分析模型作为扫描方向的替代方法，用于识别与局部支撑释放相关的一阶辐射趋势以及由此产生的近表面辐射子结构的弯曲增强。它并不旨在解决完整的三维高斯边界源场、完整的二维缺陷边界模态结构或详细的声辐射过程。对于位于深度 d d
宽带可观测量和跨频段一致性 第一个实验目标是确认所提出的框架所针对的辐射可测量量是稳定的宽带特征，而不是孤立的振幅异常。为此，比较了缺陷中心、缺陷边缘和完整背景在时域波形、平均光谱、带积分能量以及不同激励水平和接收器频段下的缺陷与完整部分的比值方面的响应。图 9 提供了这一证据。缺陷中心、缺陷
讨论 当前结果表明，在严重的固体-空气阻抗不匹配情况下，弹性界面缺陷更适合作为辐射可测量量的来源，而不是纯粹的被动散射扰动。在传统的传输解读中，主要关注传播波的变化来寻找缺陷对比。然而，在这里，结合分析、数值和跨模态证据表明了一个不同的主导情况：局部弹性释放增强了垂直于平面的
结论 本研究建立了一个基于物理的宽带测量框架，用于严重固体-空气阻抗不匹配下的弹性界面缺陷。该框架将弹性界面缺陷解释为缺陷激活的宽带辐射可测量量的来源，并将这一概念转化为带有可解释坐标的完整参考均衡测量数据处理协议。降阶分析模型识别了典型的辐射趋势，而不仅仅是提供
CRediT 作者贡献声明 王宝鼎： 撰写——原始草稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理。曾吕明： 验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查。姬玄荣： 验证，监督，软件，资源，项目管理，资金获取，形式分析。张军： 撰写——审阅与编辑，监督，资源。
利益冲突声明 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
致谢 我们感谢 中国国家重点研发计划 （2023YFC3010303）的支持。我们还要感谢华东师范大学的谢园园在本文准备过程中提供的宝贵帮助和有益讨论。
王宝鼎|曾吕明|姬玄荣|张军
